改良填料折流式生物滞留系统对雨水中氮磷削减的效果

冉阳，付峥嵘*，马满英，王冶，叶青勇

1.湖南工业大学土木工程学院

2.湖南智谋规划工程设计咨询有限责任公司

海绵城市的出现为城市的排水模式提供了新思想，而生物滞留池是海绵城市建设中一项重要的措施，生物滞留池的建设不仅可以逐步完善城市排水系统的基础设施，减少地表径流量，降低洪涝灾害发生的几率，而且下渗储蓄的水可以补充地下水，调节城市小气候，预防城市“热岛效应”的发生[1-3]。城市道路雨水径流中往往含有各种金属离子、高浓度的有机污染物和悬浮颗粒物，而未经处理的含高浓度氮、磷污染物的道路雨水排入湖泊、河流等水体中容易引起水体富营养化，进而导致水生生态系统破坏。因此，研究生物滞留设施以降低城市道路雨水径流污染物具有重要意义[4-6]。

传统的生物滞留池在实际运行中，对城市道路雨水径流中氮、磷污染物的去除效果不理想[7-9]。已有研究表明，传统生物滞留池可以去除29%～99%的总悬浮物（TSS）和98%的油污，还能有效去除98%～99%的锌、铜和81%的铅等重金属[10-12]，但由于其填料中磷的本底值较高且对磷的吸附能力较低，导致对雨水径流中总磷去除效果较差。此外，传统生物滞留池内部无法形成缺氧环境，会导致微生物的反硝化作用受到限制，虽然对有机氮的氨化、氨氮的硝化作用几乎不受影响，但会导致硝态氮的去除率较低。由于传统的生物滞留池对氮、磷污染物去除效果不理想，阻碍了生物滞留设施的普及应用[13-15]。为了加强生物滞留池对氮、磷污染物的去除效果，国内外学者对生物滞留填料进行了大量的研究。Zhang等[16]探究了添加活性炭和生物炭等吸附材料对生物滞留系统性能恢复的影响，发现添加吸附材料不能有效改善城市雨水径流中氮和化学需氧量（COD）的去除，但可以改善磷的去除性能；潘伟亮等[17]以火山岩和海绵铁作为生物滞留系统填料，分析了径流污染物在系统中去除效果的季节变化，发现系统中总氮、总磷和磷酸盐的去除率受季节影响较小，但氨氮、硝态氮和总有机碳（TOC）去除率受季节影响较大；王前朋等[18]探究了发酵木屑、腐熟落叶、泥炭土3种外加碳源对生物滞留系统水力性能和水质净化效果的影响，发现外加腐熟落叶对渗透系数的提升效果最显著，且是否外加碳源不影响NO3--N的最终去除率。可见，国内外学者非常注重对改良填料的研究，却很少对包括填料和结构在内的整个生物滞留系统的改良进行研究。为了进一步提高生物滞留池对雨水径流中氮、磷污染物去除效果，笔者在已有传统的生物滞留池基础上，通过设置不同填料和淹没出水高度，对生物滞留池的填料和结构进行系统改良，研究改良型生物滞留池对道路雨水径流污染物的削减效果，以期为生物滞留系统的推广与应用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 填料制备

试验用铝污泥来自株洲市自来水厂，是以铁、铝盐为混凝药剂的水处理残渣（WTR），湿度较大，自然风干后研磨至粉末状备用；天然膨胀蛭石来自当地建材市场。将天然膨胀蛭石用去离子水清洗多次，用1 mol/L盐酸溶液腐蚀处理，固液分离，水洗至中性，干燥，制得酸改性蛭石；将其用0.1 mol/L硫酸铝溶液超声振荡30 min，浸泡24 h，并滴加0.1 mol/L氢氧化钠溶液，直至混合液pH呈弱碱性，固液分离，烘干，制得羟基铝蛭石。将铝污泥和羟基铝蛭石均匀混合，加水后充分搅拌，制备成混合状固体颗粒，于自动程控烘箱中干燥，最后在马弗炉中以500 ℃焙烧3 h，冷却至室温，制得羟基铝蛭石污泥颗粒（HAVSP）。

1.2 试验装置

1.2.1 生物滞留试验柱设计

选择管径为400 mm，高度为1 200 mm的塑料圆柱作为生物滞留试验柱，构建了传统填料直流式生物柱（1#）、改良填料直流式生物滞留柱（2#）和改良填料折流式生物滞留柱（3#），其结构如图1所示。3个试验柱内部均由超高层、含水层（存在于超高层和覆盖层之间）、覆盖层、填料层、砂滤层和砾石排水层组成，其中超高层高度为40 mm，设置溢流管，防止生物滞留池中雨水溢出和便于雨水的及时排放；覆盖层高度为70 mm，含水层高度为100 mm，填料层高度为900 mm〔包括种植土壤（250 mm）、上层填料（450 mm）、下层填料（200 mm）〕，砂滤层高度为90 mm，砾石层高度为100 mm。

图 1 生物滞留试验柱剖面Fig.1 Profile of the biological retention test column

1#柱填料层采用的是传统填料——沙子，没有添加复合填料；2#柱填料层上层填料为石英砂，下层填料为复合填料（90%沙+5%木屑+5% HAVSP）；3#柱在2#柱的基础上进行改进，在填料层上下层均设置了聚丙烯折流板，其中上层折板穿孔，下层折板不穿孔，其他与2#柱相同。2#、3#柱上层填料采用的是石英砂，由于其比表面积较大，有利于经种植土过滤后的雨水与石英砂表面充分接触。

为了满足《海绵城市建设技术指南 低影响开发雨水系统构建》（试行）中对生物滞留池渗透系数的控制，3#柱上层填料设置了折流板，其目的如下：1）导流，如图1（c）中示意的水流方向，避免水集中向一处渗透，增加了水流途径，有利于均匀渗水；2）适当减缓渗透速度，充当良好的过滤介质，并有利于上层氨化菌、硝化菌等附着于石英砂表面生长；3）上层折流板中的横板可以更好地为下层填料提供相对厌氧的空间。下层折流板除起到导流作用外，还可在下层填料中形成局部淹没深度，与上层折流板中的横板共同创造一个相对的厌氧环境，有利于反硝化细菌的生长和繁殖；同时，还可增加雨水流经的路程，从而增加雨水的停留时间，有利于脱氮。

在生物滞留柱底部配备穿孔出流排出管道，直径为25 mm。此外，1#和2#柱出水高度均为0 mm；3#柱设置了0、150、250、350、450 mm 5个不同的淹没出水高度，通过不同淹没出水高度对氮、磷的去除效果来探究折流式生物滞留设施最佳淹没出水深度。各生物滞留池具体填充物见表1。

表 1 各生物滞留试验柱内的填充物Table 1 Materials filled in bioretention test columns

收集校园道路雨水径流作为原雨水，因原雨水中氮、磷等污染物浓度波动较大，为了维持道路雨水径流的理化性质稳定，向其中加入硝酸钾、氯化氨和磷酸二氢钾使污染物达到一定的浓度。以该模拟水作为试验柱进水，共模拟9场降雨：1～3场为低浓度模拟降雨，4～6场为中浓度模拟降雨，7～9场为高浓度模拟降雨。污染物浓度设置见表2。

表 2 模拟雨水的污染物来源及浓度Table 2 Sources and concentrations of pollutants in simulated rainwater mg/L

1.3 试验预处理与运行

1.3.1 预处理

按照表1向对应试验柱填充填料、校园绿化带土壤、树皮和有机质。因植物麦冬抗旱耐涝，根系较为发达，生长力旺盛，在3个试验柱种植了相同的植物麦冬。在正式试验之前，为了防止试验柱内污染物对试验结果造成干扰，使用自来水对3个试验柱进行连续冲刷，直到系统淋洗出来的水样中氨氮、磷和硝态氮浓度降至0.1 mg/L。生物滞留试验柱中的填料需要微生物协同作用发生生化反应，以实现对雨水径流污染物的去除[19-20]。为了形成稳定的微生物系统，取预处理过的校园道路雨水径流浇灌1#、2#和3#试验柱，维持1个月。接种期间按照一定的干湿周期比进行浇灌，使3个生物滞留柱系统的含氧率和渗透率在每个周期内得到恢复。

1.3.2 试验运行

经过1个月预处理，各生物滞留试验柱内植物生长较快，枝叶旺盛，形成了稳定的生态系统，之后开始进行模拟降雨试验。分别于2019年11月25日—12月3日进行低浓度模拟降雨；12月15—21日进行中浓度模拟降雨；2020年1月5—13日进行高浓度模拟降雨。每次09:00开始降雨，持续时间为180 min，进水流量为60.59 mL/min。

1.4 分析方法

1#和2#柱仅取0 mm淹没出水高度的水样，3#柱分别取0、150、250、350、450 mm 5个淹没出水高度的水样。进出水水样直接消解，采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定总氮浓度，采用钼锑抗分光光度法测定测定总磷浓度，采用酚二磺酸光度法测定硝态氮浓度，采用纳氏试剂光度法测定氨氮浓度。

利用扫描电子显微镜（SEM，UV-5500PC，上海元析仪器有限公司）观察HAVSP表面形貌及微观孔隙结构；采用X射线能谱仪（EDAX，Zeiss Sigma300，上海翔研精密仪器有限公司）分析其元素组成；将HAVSP研磨成粉末状后与光谱纯溴化钾以质量比1∶100混合压片，利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，NicoletiS10，上海双旭电子有限公司）进行红外光谱分析（波长为500～4 000 cm-1）；用X射线衍射（XRD，Ultima Ⅳ，北京嘉德利达科技有限公司）对其进行分析，确定其矿质氧化物组成及含量。

2 结果与分析

2.1 直流式生物滞留系统对氮、磷的削减效果

2.1.1 不同形态氮的去除效果

不同浓度进水时，1#、2#柱出水中不同形态氮、总磷浓度及去除率如图2所示。由图2(a)可知，2#柱在低浓度进水时，出水水质较好，总氮平均浓度为1.7 mg/L；在中、高浓度进水时，出水总氮平均浓度分别为3.6、8.0 mg/L。1#柱在低浓度进水时，出水总氮平均浓度为2.1 mg/L；在中浓度进水时，出水总氮平均浓度为4.1 mg/L；在高浓度进水时，出水总氮平均浓度为10.3 mg/L。随着进水浓度的增加，1#、2#柱对总氮的去除率逐渐降低且去除效果不稳定。

由图2(b)可知，2#柱在低浓度进水时，出水水质较好，氨氮平均浓度为0.26 mg/L；在中、高浓度进水时，出水氨氮平均浓度分别为0.53、1.45 mg/L。随着进水浓度增加，2#柱对氨氮的去除效果比1#柱稳定。1#柱在低浓度进水时，出水水质较好，氨氮平均浓度为0.38 mg/L；在中、高浓度进水时，出水氨氮平均浓度分别为0.65、1.98 mg/L。随着进水浓度的增加，1#柱对氨氮的去除效果先上升然后在高浓度时明显下降。

由图2(c)可知，1#和2#柱对硝态氮的去除效果无显著差别，在低浓度进水时，2个试验柱对硝态氮的平均去除率低于30%；在中浓度进水时，硝态氮的平均去除率低于35%；在高浓度进水时，硝态氮的平均去除率低于40%。随着进水浓度的升高，2个试验柱对硝态氮的去除率不断增加，但出水水质仍然较差，表明仅仅采用HAVSP改良填料并不能有效提升硝态氮的去除效果。

2.1.2 总磷的去除效果

不同浓度进水时，1#和2#柱的出水总磷浓度如图2(d)所示。由图2(d)可知，2#柱在低、中、高浓度进水时，出水水质较好，总磷去除率高于92%；而1#柱对总磷的最高去除率为67.2%，最低为37.3%。随着进水浓度增加，2#柱对总磷的去除效果略微上升且较稳定。1#柱则在中浓度进水时对总磷的去除率较高，但随着进水浓度的上升，总磷去除率显著下降且不稳定。

图 2 1#和2#柱出水不同形态氮与总磷浓度及去除率Fig.2 Concentrations and removal rates of different forms of nitrogen and total phosphorus of 1# and 2# test column effluent

2.1.3 2种直流式生物滞留系统削减效果对比

1#柱对道路雨水径流中总氮的去除率为30%～50%，2#柱为50%～62%。与1#柱对比，2#柱的出水水质得到一定提升，主要原因：1）使用的复合填料不同，其对总氮的吸附性能也不同，传统的生物滞留试验柱填料层仅为沙子，而改良生物滞留试验柱填料层将沙替换成了石英砂和添加含有大量的铁、铝等金属离子的HAVSP，从而增强了对总氮的吸附性能。2）填料不同导致2个生物滞留试验柱的渗透率不同，下层填料中含有的复合填料能降低渗透率，增加水力停留时间，从而使模拟径流雨水与填料得以充分接触。

1#柱对氨氮的去除率为48%～70%，2#柱为63%～80%，2#柱对氨氮的去除效果优于1#柱，这是因为通过HAVSP改良填料可以提高对氨氮的去除率。此外，在高浓度进水条件下，1#、2#柱出水水质均明显下降，这说明生物滞留试验柱对中、低氨氮浓度模拟径流雨水具有较好的去除效果。

1#、2#柱对硝态氮的去除率为12%～40%，对硝态氮的去除效果均不好。随着进水浓度的增加，2个试验柱出水水质均有所改善，说明进水中硝态氮浓度升高，能适当提升生物滞留试验柱对硝态氮的去除效果，但出水水质仍然较差，表明仅仅采用HAVSP改良填料并不能有效提升硝态氮的去除率。

1#柱对道路雨水径流中总磷去除率为36%～65%，2#柱则达到92%，相较1#柱，2#柱除磷效果明显提升。此外，2#柱对总磷的去除效果较为稳定，表明适当水质波动对2#柱去除效果几乎没有影响，但对1#柱的去除效果影响较大，这说明改良填料比传统填料直流式生物滞留池对水质波动有更好的抗冲击能力。

2.2 折流式生物滞留系统对氮、磷的削减效果

2.2.1 不同形态氮的去除效果

3#柱不同淹没出流高度出水中各形态氮浓度及去除率如图3所示。由图3(a)可知，在0 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，总氮去除率总体呈逐渐降低趋势；在150、450 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，总氮去除率先增加后迅速降低；在350 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，总氮去除率先略微降低后平缓增加。进水水质波动时，350 mm淹没出流高度3#柱运行最为稳定，总氮去除率最高可达76%；其他淹没出流高度，随着进水浓度的增加，去除效果逐渐变差。

由图3(b)可知，在0 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，氨氮去除率下降较为明显；在其他淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，氨氮去除率先略微增加后下降较明显。随着水质波动，各淹没出流高度的抗冲击力偏弱。在中浓度进水时，各淹没出流高度氨氮的去除效果都较好且差异不明显，但在0 mm淹没出流高度氨氮的去除效果最好，去除率为78%。这是因为在该高度时，填料中含氧量较高，硝化细菌进行的硝化反应较强，因此对氨氮去除率较高；随着淹没出流高度增加，填料中含氧量逐渐降低，硝化反应逐渐减弱，导致对氨氮去除率下降。

由图3(c)可知，在0 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，硝态氮去除率不断上升；在150和250 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，硝态氮去除率先上升后下降；在350 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，硝态氮去除率无明显变化；在450 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，硝态氮去除率先平衡，后明显下降。可见，在350 mm淹没出流高度时，进水水质波动对硝态氮的去除效果无较大影响，此时系统的抗性较强。

随着淹没出流高度（0～350 mm）的增加，3#柱对硝态氮的去除效果不断增加，硝态氮去除率最高可达77%。但到一定的淹没出流高度（350 mm），对硝态氮的去除效果反而下降。提升出水水位后会增加淹没区域体积，导致缺氧区体积增多，但在450 mm出水水位条件下，池内部长期形成的淹没水位线已位于上层填料底部以上60 mm处，再加上上层填料中折流板的设置，会导致上层填料中不利于氨氮向硝酸盐氮的转化。450 mm出水水位完全淹没了整个下层介质，下层折流板的作用不明显，不能在填料层中形成相对的上层好氧、下层厌氧的条件，从而阻碍了脱氮中硝酸盐氮的来源。在350 mm出水水位时，池内的淹没水位线正好位于下层折流板，此时的淹没水位线正好能使下层折流板发挥最大作用。所以在350 mm淹没出流高度时对硝态氮的去除效果最好，在0 mm淹没出流高度时对硝态氮的去除效果最差。

2.2.2 总磷的去除效果

3#柱不同淹没出流高度出水总磷浓度及去除率如图 3（d）所示。由图3(d)可知，在 0、150、250和350 mm淹没出流高度时，随着进水浓度增加，总磷的去除率变化不显著；在450 mm淹没出流高度时，随着进水浓度的增加，总磷的去除率总体趋势是显著上升后趋于稳定。在0、150、250和350 mm淹没出流高度时，总磷的去除率都高于90%，但在450mm淹没出流高度时，总磷的去除效果相比于其他淹没出流高度有较明显的降低。说明只有淹没出流高度达到一定值时才会对总磷的去除效果有显著影响，而在低于这个高度时对总磷的去除效果无较大影响。在0 mm淹没出流高度时总磷去除效果最好，去除率为96%。这是因为淹没出流高度增加，会导致溶解氧浓度的降低，淹没高度越高，含氧量越低，影响聚磷菌好氧吸磷，加上可能填料本身有磷的析出，导致总磷的去除效果逐渐降低。

图 3 3#柱不同淹没出流高度出水各形态氮与总磷浓度及去除率Fig.3 Concentrations and removal rates of different forms of nitrogen and total phosphorus in effluent at different submerged outflow heights of 3# test column

2.3 HAVSP理化性质分析

HAVSP扫描电镜图如图4所示。由图4（a）可知，在低倍镜下HAVSP表面形态呈蜂窝状， 颗粒呈不规则排列，具有丰富的孔隙结构和大的比表面积；由图4（b）可知；在高倍镜下HAVSP表面疏松多孔，孔隙较大，具备较高的比表面积。HAVSP有粗糙的表面和紧密的微孔结构，可以为生物膜的生长提供理想环境，且HAVSP比表面积较大，利于微生物的生长，提高对氮、磷的吸附效果[21-22]。

HAVSP的X射线能谱仪结果如表3所示。由表3可知，HAVSP主要由Fe、Si、Al等元素组成，且Fe、Al等金属离子占比较大，其中Al占比为8.21%，Fe占比为6.12%。HAVSP中的Al以无定型形态存在，可以有效地增加水体中对磷的吸附离子交换能力及促使化学沉淀的发生，并且Al离子作为一种絮凝剂，能够与水体中的磷发生吸附络合作用，有效去除水中的氮、磷污染物[23]。

红外光谱分析结果〔图5(a)〕表明，HAVSP具有丰富的表面活性基团，其红外光谱图由多个强度不同的峰组成，3 351.747和1 643.546 cm-1处的吸收峰属于羟基的伸缩振动和弯曲振动；1 049.086 cm-1处的吸收峰是Si—O的伸缩振动；950.252 cm-1处的吸收峰是C—O的伸缩振动；729.043 cm-1处的吸收峰是Al—O的伸缩振动；646.519 cm-1处的吸收峰是Fe—O的伸缩振动。X射线衍射分析结果〔图5(b)〕表明，HAVSP 主要由 SiO2、Al2O3、Fe2O3等矿质物质组成。

图 4 HAVSP扫描电镜图Fig.4 SEM image of HAVSP

表 3 HAVSP主要元素组成Table 3 Main element composition of HAVSP

图 5 红外光谱和XRD表征Fig.5 FTIR spectra and XRD images of HAVSP

3 结论

（1）HAVSP作为生物滞留系统的改良填料，具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，Fe、Al等金属离子含量较高。HAVSP改良填料直流式生物滞留系统对总磷的去除效果较好，对总氮和氨氮的去除效果有较明显的波动，对硝态氮的去除效果波动较大。

（2）在不同淹没出流高度时，HAVSP改良填料折流式生物滞留系统对氨氮和总磷的去除效果变化不显著，但对于总氮和硝态氮的去除效果随着淹没出流高度的增加而增加，达到一定的阈值之后迅速下降。对总氮和硝态氮的去除效果在350 mm淹没出流高度时最佳，但对氨氮、总磷的去除效果在0 mm淹没出流高度时最好，去除率分别为78%和96%，且在不同淹没出流高度时对总磷去除效果的差别较小。

（3）HAVSP改良填料折流式生物滞留系统对氮、磷的削减效果比传统填料和改良填料直流式生物滞留系统的削减效果更加明显，且在350 mm淹没出流高度时对氮、磷削减效果最佳，总氮和硝态氮去除率最高可达76%和77%。